Fontes e detectores de Luz Em Telecomunicações

Fontes e detectores de Luz
Em Telecomunicações
1- Introdução
Nas comunicações ópticas, as fontes de luz ou “fontes ópticas” devem ser compactas,
monocromáticas, estáveis e com as seguintes características:
•
A intensidade da luz (potência óptica) deve ser tal que permita a comunicação
por grandes distâncias;
• A estrutura deve permitir um acoplamento efetivo da luz na fibra;
• O comprimento de onda de emissão tem que ser compatível com os
comprimentos de onda para o uso em fibras ópticas (0,85, 1,3 e 1,55 µm);
• O dispositivo deve produzir potência estável que não varie com a temperatura ou
outras condições ambientais.
Na prática, não existem fontes de luz monocromática; existem fontes ópticas que geram luz
dentro de uma faixa estreita de comprimentos de onda, denominada região espectral. Um
espectro pode ser definido como uma seqüência de radiação eletromagnética relacionada com
determinados comprimentos de onda. Assim, o espectro completo de uma determinada fonte de
luz consiste no conjunto de todas as freqüências em que fonte emite. Dado que ainda não existe
um equipamento que consiga resolver por completo todo o espectro conhecido, as regiões de
interesse devem ser investigadas de maneiras diferentes.
A tecnologia de estado sólido tornou possível a confecção de fontes ópticas com as
características acima citadas e, dois tipos de fontes são amplamente utilizados: os LEDs (Light
Emission Diode) e os Lasers.
Os LEDs foram as primeiras fontes utilizadas em comunicações ópticas sobre fibras multimodo
e, a seguir, foram desenvolvidos os Lasers para aplicação em fibras monomodo. Lasers têm tido
um grande impacto nos mais importantes ramos da ciência: pesquisas de novos materiais na
escala de fentosegundos, resfriamento de átomos, etc. Calcula-se que atualmente mais de um
terço dos trabalhos científicos experimentais publicados nas áreas de física e química utilizem
lasers. Também nas áreas tecnológicas lasers são cada vez mais importantes: aplicações
industriais como corte e solda, comunicações óticas, cirurgia a laser, memórias óticas, e
tecnologias emergentes como a ótica integrada.
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LEDs e Lasers de semicondutor são basicamente junções p-n em semicondutor apropriado.
Quando a junção p-n é polarizada positivamente, passa corrente pelo dispositivo e uma parte da
energia fornecida ao dispositivo é emitida por ele na forma de luz. A figura 1 mostra
esquematicamente um diodo eletroluminescente.
Figura 1- Diodo eletroluminescente.
A energia hf dos fótons emitidos, é determinada pelo valor Eg da banda proibida do
semicondutor e é dada por:
Eg ≈ hf
(2.1)
Um elétron no átomo pode ser excitado de um nível de energia para um nível de energia superior
através da absorção de um fóton de energia. Quando um elétron de alta energia decai para um
nível de energia inferior, ele emite um fóton. Existem duas possibilidades para o processo de
emissão; emissão espontânea ou emissão estimulada. Na emissão espontânea o elétron muda de
estado de energia espontaneamente. Na emissão estimulada um outro fóton estimula o processo
de emissão de luz, induzindo o elétron a mudar de estado (fig. 2). A emissão de luz de um LED é
resultante da emissão espontânea e a do laser da emissão estimulada.
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Figura 2 – Absorção, emissão espontânea e emissão estimulada.
A conversão "energia-corrente” → luz ocorre em uma "região ativa" muito fina (espessura da
ordem de 1µ m ) na vizinhança e paralela a junção p-n. A eficiência quântica interna η define
basicamente a eficiência do processo da transformação de energia "energia-corrente" →
"energia da luz gerada internamente no dispositivo". No GaAs, o semicondutor atualmente mais
importante do ponto de vista de Comunicações ópticas, η ≈ 0,9 a 1,0 . A emissão desta luz
gerada na região ativa de um LED ou de um laser antes de atingir a corrente limiar para
"lesamento", é isotrópica, quer dizer uniforme em todas as direções. A fração desta luz que
consegue escapar para fora do dispositivo (e ser útil no caso do LED) depende da geometria do
dispositivo. O material passivo (fora da região ativa) absorve fortemente a luz gerada na região
ativa. Consequentemente em um dispositivo com a geometria ilustrada na figura 1, só a fração
da luz emitida paralela à região ativa consegue escapar para fora.
Como a emissão interna é isotrópica, esta fração é muito pequena e consequentemente a
eficiência quântica externa é muito baixa (da ordem de 1%). No caso do laser a geometria é a
mesma da fig.(l), só que as duas faces clivadas do material formam uma cavidade óptica
definido uma direção preferencial para o dispositivo perpendicular aos espelhos clivados. A
emissão do dispositivo para correntes acima do limiar para lesamento, não é mais isotrópica, mas
direcionada na região ativa perpendicular aos espelhos. A fração desta emissão que consegue
escapar para fora é determinada basicamente pela transmitância (T = 68% no caso de GaAs) dos
espelhos. Consequentemente nos diodos lasers, a eficiência quântica externa diferencial (quer
dizer, válida somente para a parte da corrente acima do limiar) é da ordem de 50%. A figura 2
mostra a emissão externa pouco eficiente para correntes abaixo do limiar (e que se aplica
também ao LED) e emissão eficiente acima do limiar.
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Vemos que no caso de diodo laser, existe uma corrente de limiar IL, a partir da qual o
dispositivo funcionará como um laser.
Figura 3 Intensidade de luz em função da corrente de um diodo.
2- Semicondutores
Num átomo os elétrons que estão em volta do núcleo ocupam níveis de energia bem definidos
(quantizados). Em um cristal sólido, que é uma rede bem regular de átomos, estes níveis de
energia se expandem em bandas de tal maneira que os elétrons agora não são mais ligados aos
átomos individuais, e podem ocupar as energias definidas por estas bandas (figura 4).
Uma banda vazia não tem elétrons e não contribui para condução elétrica num sólido. Os
elétrons numa banda cheia também não contribuem para condução elétrica porque, como não
existem níveis vazios na banda, os elétrons não podem subir em energia, consequentemente não
podem adquirir energia da fonte externa.
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Figura 4 - Num metal as várias bandas de energia sobrepõem para dar uma única banda de energia que está
parcialmente cheio de elétrons. Há estados com energias até nível de vácuo onde o elétron é livre.
Um semicondutor é um cristal sólido no qual a temperatura T=0 K todas as bandas de energia até
certa banda estão cheias e as restantes estão vazias. Quando a temperatura está acima de O K,
alguns elétrons da banda de valência (última banda cheia) possuem energia térmica suficiente
para saltar para a banda de condução (primeira banda vazia),deixando atrás, buracos. Estes
elétrons e buracos contribuem para a condução elétrica e o semicondutor é denominado
semicondutor intrínseco.
Um semicondutor que contém impurezas (tipo doador) que fornecem elétrons à banda de
condução é denominado tipo n, porque a condução elétrica no material é feita através dos
elétrons (carga negativa) na banda de condução. Os elétrons neste caso são chamados portadores
majoritários.
Figura 5 - Dopagem tipo n. Os quatro elétrons de valência de As permite ele se ligar ao Si mas o quinto
elétron fica orbitando na rede cristalina.
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Um semicondutor que contém impurezas (tipo aceitador) que recebe elétrons da banda de
valência, deixando buracos nela, é denominado tipo-p porque a condução elétrica no material é
feita através dos buracos (carga positiva) na banda de valência. Neste caso os numerosos buracos
na banda de valência são portadores majoritários e os poucos elétrons na banda de condução são
portadores minoritários.
Figura 6 - Cristal de Silício (Si) dopado com boro. B tem somente três elétrons de valência. Quando o boro
substitui o átomo de silício fica faltando um elétron, portanto um buraco.
Quando as os materiais p e n que formam o diodo semicondutor são postos em contato, os níveis
quasi-Fermi dos dois materiais estão desalinhados. Isto ocorre devido ao fato de que as
concentrações de portadores livres (elétrons e buraco) para os dois materiais são diferentes. Contudo,
um fluxo de portadores por difusão é rapidamente estabelecido próximo à região de junção para
compensar os gradientes de concentração, deixando esta região praticamente vazia de portadores
livres (região de depleção). Este fluxo continua até que um campo elétrico oposto à direção de
deslocamento dos portadores é formado, devido à carga dos íons fixos das impurezas de dopagem
doadoras e aceitadoras ficam para trás.
Quando isto acontece, um nível de equilíbrio é atingido, com os níveis quasi-Fermi se alinhando e
uma barreira de potencial é estabelecida. Quando a junção é polarizada diretamente, o campo elétrico
é reduzido permitindo um novo fluxo de portadores por difusão através da junção. Apesar da região
de depleção se estreitar sob estas condições, é possível de se dizer que, durante este processo de
difusão, tanto buracos como elétrons estarão simultaneamente presentes nesta região, tornando a
probabilidade de recombinação radiativa maior. Contudo, existe também a probabilidade de que
estes fótons possam ser absorvidos novamente pelo material, pois, normalmente, a população de
elétrons na banda de valência é maior que àquela na banda de condução. Somente quando a tensão
aplicada aos terminais exceder um determinado valor (limiar ou threshold) que o número de
portadores livres na junção aumenta de tal maneira que o número de fótons gerados é suficiente para
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contrabalançar as perdas (condição de inversão de população (ou transparência)),
a
população de
elétrons na banda de valência fica ligeiramente menor que àquela na banda de condução. A partir
deste momento, a junção pn é capaz de amplificar luz uma vez que a tensão aplicada seja maior que
àquela de limiar, ou seja, o dispositivo passa a apresentar ganho óptico. Na verdade, esta tensão
aplicada gera uma corrente elétrica nos terminais do dispositivo. Normalmente, a corrente é utilizada
como parâmetro de referência para o laser.
3- Diodos emissores de luz
Um diodo emissor de luz (LED: light emitting diode) é essencialmente um diodo de junção pn
na qual ocorre a recombinação do par elétron buraco resultando na emissão de um fóton. Numa
recombinação um elétron da banda de condução desce para um estado vazio na banda de
valência, quer dizer que recombina com um buraco. A diferença de energia entre o estado do
inicial e final do elétron é liberada, Se esta energia é liberada na forma de emissão de um fóton
(radiação eletromagnética ou luz) a recombinação é denominada radiativa, senão ela é não
radiativa, e a energia é liberada na forma de calor (vibrações de rede do cristal).
O tipo de fonte de luz aceitável para as comunicações por fibra óptica depende não somente da
distância de comunicação, mas também da largura de banda figura . Para aplicações de curta
distância, por exemplo, redes locais, os LEDs são mais utilizados por serem mais simples, mais
econômicos, possuem um longo tempo de vida e dão a potência de saída necessária ainda que
seu o espectro de saída seja muito mais amplo que um diodo Laser.
Figura 7 – Espectro de saída típico de um LED vermelho de GaAsP.
Os LEDs são frequentemente usados com fibras de índice gradual. Para comunicações a grandes
distâncias e ampla largura de banda, os diodos Laser são usados devido à estreita largura
espectral e alta potência de saída.
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A figura 8 mostra os dois tipos de LEDs usados em telecomunicações. Se a radiação emitida
emerge de uma área no plano da camada de recombinação como em (a) então o dispositivo é um
LED emissor de superfície (SLED). Se a radiação emitida emerge de uma área numa borda do
cristal, como em (b), isto é, de uma área na face perpendicular do cristal para a camada ativa,
então o LED é de emissão de borda (ELED).
Figura 8 – (a) LED de emissão de superfície; (b) LED de emissão de borda;
O método mais simples de simples de acoplamento da radiação de um SLED na fibra óptica é
colocar a fibra o mais próximo possível da região de emissão ativa do LED conforme ilustra a
figura 9(a). Outro método é usar micro lentes esféricas para focalizar a luz na fibra (figura 9(b)).
Figura 9 – Acoplamento da fibra no LED.
4- Lasers
A sigla LASER significa: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.
Para se obter a emissão estimulada é necessária alguma radiação inicial e um método de confinar
os fótons gerados a uma pequena região para aumentar a probabilidade de colisão de fótons e
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elétrons. Também é necessário escolher um material para o qual as transições de energia dos
elétrons produzam radiação, como ilustra a figura 10.
Figura 10 - Emissão estimulada.
Esta propriedade pode ser encontrada em alguns elementos na fase gasosa, por exemplo,
Argônio, Kriptônio, Hélio-Neônio e outros na forma de cristais, onde podemos citar o rubi com
0,05% de cromo. Além de gases e rubídio existem alguns materiais sólidos que exibem o mesmo
comportamento tais como AlGaAs e InGaAsP. Esses materiais são adequados, pois podem ser
manufaturados a um custo adequado, geram luz nos comprimentos de onda compatíveis com a
fibra de sílica e podem ser integrados com outros componentes ópticos. Esses são considerados
lasers semicondutores. A radiação inicial é fornecida por uma fonte externa de bombeio que
produza energia suficiente para a emissão estimulada. Essas fontes de bombeio para o caso dos
lasers semicondutores são fontes de corrente, já outros tipos de laser tais como lasers de gás
utilizam fontes de luz. A emissão estimulada produz luz coerente e com largura espectral
estreita.
Os lasers de semicondutor foram desenvolvidos em 1962, apenas três anos após o surgimento do
primeiro laser, o laser de rubi, conforme ilustra a fig. Este laser é composto de um núcleo de rubi
e de um tubo contendo gás Xenônio, ambos envoltos por uma superfície refletora (ver figura 11).
O gás Xenônio produz um flash de luz que dá início ao processo de “lasing” dentro da cavidade
refletora.
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Figura 11 - Theodore Harold Maiman e o primeiro laser de Rubi
Figura 12 - Componentes do Laser de Rubi.
Esta tecnologia evoluiu muito para chegar ao estado atual. O alto desempenho e confiabilidade
dos lasers de GaAs 0.8mm permitiu, no final da década de 70, seu uso no mercado de áudio em
compact-disk"(CD). Este é até hoje o único mercado de produção em massa para lasers de
semicondutor, absorve mais de 90% de todos os lasers produzidos no mundo e representa um
mercado anual da ordem de 50 milhões de lasers. Outra aplicação importante dos lasers de
semicondutor é em comunicações ópticas onde se deseja lasers em 1,3µ m ou 1,5µ m , neste caso
usa-se o sistema quartenário de InGaAsPO.
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As vantagens da utilização de lasers semicondutores para comunicações em relação aos outros
tipos de laser:
• Tamanho e configurações compatíveis com o processo de acoplamento de luz à fibra
óptica. Além disso, seu tamanho é ideal para o desenvolvimento de circuitos ópticos
integrados;
• Corno é operado por corrente, a modulação de sua intensidade pode ser obtida
diretamente. à partir da modulação desta mesma corrente. O dispositivo possibilita a
modulação direta num faixa bem ampla de freqüências que vai de alguns kHz atédezenas de GHz;
• Além da intensidade, a variação da corrente elétrica de polarização do dispositivo
pode alterar sua freqüência de operação e, desta forma, sua fase. Assim, a utilização
de técnicas coerentes com realimentação de corrente, por exemplo, possibilita a
modulação da fase e da freqüência do laser;
• Produz potência óptica suficiente para contrabalançar as perdas intrínsecas da fibra e
perdas por emenda, entre outras, e ainda fornecer o suficiente para o fotodectetor
recuperar as informações enviadas, principalmente em sistemas de curta distância;
• O comprimento de onda da luz emitida pelo laser concorda com· os pontos de
mínima atenuação e dispersão da fibra;
• Seu custo tem caído consideravelmente nos últimos anos, enquanto que seu tempo de
vida médio aumentado consideravelmente.
Os lasers semicondutores são as fontes luminosas mais freqüentemente utilizadas para a
transmissão de sinais ópticos.
A estrutura básica do laser semicondutor é bem semelhante à estrutura de um diodo e
nada mais é do que uma junção pn que, para fornecer luz, é polarizada diretamente, conforme
ilustra a fig..
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Figura 13 – esquema de um de um diodo laser de GaAs de homojunção. As superfícies clivadas atuam como
espelhos refletores.
A saída de luz pela face da frente de um diodo laser possui uma forma elíptica com um feixe
divergente como ilustra a figura 14.
Figura 14- Laser semicondutor esuas características ópticas.
A figura 15 ilustra o espectro óptico de um laser do tipo semicondutor.
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Figura 15 - Espectro de um laser
As figuras 16-18 ilustram algumas fotos de lasers utilizados em comunicações ópticas.
Figura 16- Diodo Laser com “pigtail” para fibra.
Figura 17 - Diodo Laser InGaAsP em 1550 nm.
Figura 18 - Diodo Laser 850 nm VCSEL
A figura 20 ilustra o funcionamento do Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
cuja emissão é cilíndrica, mais adequada para acoplamento na fibra.
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Figura 19 - Funcionamento do laser VCSEL.
5- Fotodiodos
Os fotodetectores são também dispositivos semicondutores, porém, com uma função inversa
àquela dos lasers semicondutores, ou seja, em vez da geração de luz a partir de uma corrente
elétrica, estes dispositivos convertem luz em corrente. A estrutura do dispositivo, no entanto,
lembra a do laser. Estes diodos especiais absorvem a luz neles incidindo, gerando pares elétronlacuna na região de junção do material. Ao se aplicar uma polarização reversa aos terminais do
dispositivo, a largura da região de depleção próxima a junção é ampliada, bem como o campo
elétrico nesta região. Assim, os portadores (elétrons e lacunas) fotogerados são acelerados em
direção aos seus terminais, gerando uma corrente diretamente proporcional à potência 6ptica
média incidente. Os fotodiodos podem ser divididos em dois dipos diferentes: PIN e avalanche.
Os fotodiodos do tipo PIN possuem uma região quase intrínseca tipo "n" entre duas regiões
altamente dopadas "p" e "n" (por isso "pin"). A função desta região quase intrínseca é a de
aumentar a região de depleção e, com isso, a região de geração de portadores.
Os fotodiodos de avalanche possuem uma estrutura "pin" mais sofisticada de maneira que possa
produzir campos elétricos extremamente intensos. Assim, além de uma maior região para a
produção de pares elétron-lacuna através da absorção de fótons, o intenso campo elétrico acelera
os portadores gerados de tal maneira que eles podem adquirir energia suficiente para produzir
novos pares elétron-lacuna por colisão com a rede cristalina. O único problema deste tipo de
fotodetector é que o ruído é amplificado juntamente com a corrente, para um mesmo número de
fótons incidente. A figura 20 ilustra alguns exemplos de fotodetectores.
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Figura 20 - Exemplos de fotodetectores.
Nem todos os fótons incidentes são absorvidos para criar pares de elétron buraco livres que
podem ser coletados e dar uma fotocorrete. A eficiência do processo de conversão de receber
fótons e gerar pares elétron-buraco é medido pela eficiência quântica (EQ) η do detector:
η=
Número de Pares Elétron-Buraco livres gerados e coletados I ph / e
=
Número de Fótons
P0 / hf
A responsividade R de um fotodiodo caracteriza sua performance em termos da fotocorrente
gerada por potência óptica incidente num dado comprimento de onda,
I
Fotocorrente ( A )
R=
= ph
Potência Óptica incidente (W ) P0
Comparando (2.2) e (2.3) vemos que:
R =η
e
eλ
=η
hf
hc
(2.2)
(2.3)
(2.4)
As figura 21 e 22 ilustram as curvas de responsitividade em função do comprimento de onda de
fotodiodos comerciais.
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Figura 21 – responsitividade em função do comprimento de onda para um fotodiodo ideal com EQ=100%
(η = 1) e para um fotodiodo de Si comercial.
Figura 22Responsividade de um fotodiodo de Ge comercial de junção pn.
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